引用BIM技术集成化建造35 kV变电所的探讨

王名洲

中国寰球工程有限公司北京分公司

随着国内油气田开发时间的延长,高品质的油气田越来越少,难采储量增加,区块分布零散、产量低;同时,地面条件也越来越差,山区、丘陵、沟壑、滩海等复杂地势比例不断增加,带来了交通不便,地面配套差.另外,国外油气田开发现场人文条件复杂,交通运输困难等.上述这些都造成了地面工程建设难度大,管理困难等问题,因此,研究实施"标准化设计、工厂化预制、模块化施工、机械化作业、信息化管理"(即"五化")显得尤为重要.其优势主要体现在以下四方面:①设计标准化、预制模块化减少了项目从设计到现场安装、焊接等工作量;②设计有标准化图纸,施工有模块现场组装,设计和建造速度将会明显提高;③由于运输的是成品,所以避免运送大量的材料,无论是国内交通不便的地区,还是海外长距离远洋运输,都减轻了运输的负担;④装置工厂化预制时可直接实现数字化设计、制造,为数字化管理奠定基础.同时,形成模块化、现场组装也是国内外建造业发展的主流.

油气田供配电系统主要包括220 kV或110 kV外部供电设施,油气田内设220 kV变110 kV和110 kV变35 kV的变电所,35 kV变电所出线电压等级为1.0 kV或0.6 kV,1.0 kV或0.6 kV电压等级供到井、站等用电场所,如果供到站场,再由站用变压器把电压等级转变为0.4 kV供站场各种设施的动力用电.由于一般外部供电多为110 kV,极少情况下为220 kV,所以一般以110 kV变35 kV为主,如果没有35 kV供电需求,110 kV可直接变到1.0 kV和0.6 kV供各种用电需求.因此,35 kV变电所属于油气田供配电系统的主要设施,其他就是井场或站用变压器或者供配电线路.目前,在35 kV变电所实施了"标准化设计、工厂化预制、模块化施工、机械化作业、信息化管理"的建造,最主要的方式就是把整个35 kV变电所按功能分成几个模块,每个模块集成了各个专业的功能,开展设计、预制、安装,最终实现信息化管理.以此方法实现了标准设计、工厂化预制,搬运到现场一次安装成功.如果在35 kV变电所的"五化"建设中引用BIM技术建造,将会更有效地提升35 kV变电所建造水平,使其向智能化建设与管理方向发展.

1 BIM技术概念与特征

BIM(建筑信息模型,Building Information Modeling)是建筑学、工程学及土木工程的新工具.目前已经在全球范围内得到业界的广泛认可,BIM是运用三维数字化技术配合智能化工具将工程全生命周期中各个阶段的数据信息进行整合、集成、分析,最终将这些数据以3D可视化模型及数字报表的方式展现给项目的参与各方,进行工作指导及进度、成本等分析,最终提高项目的整体品质[1].设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于BIM进行协同工作,有效提高工作效率,节省资源,降低成本,实现企业可持续发展.

美国国家BIM标准对BIM的定义为:"BIM是建设项目兼具物理特性与功能特性的数字化模型,而且是从建设项目的最初概念设计开始的整个生命周期里作出决策的可靠共享信息资源[2]."

BIM技术主要包含了三点:①BIM是以三维数字技术作为模型的基础,集成了项目各种相关信息的工程数据模型,是对工程项目设施实体和功能特性的数字化表达;②BIM是一个完善的信息模型,能够连接项目生命周期不同阶段的数据、过程和资源,是对工程对象的完整描述,提供可自动计量、查询、组合、拆分的实时工程数据,可被项目各参与方普遍享用;③BIM具有单一工程数据源,可解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题,支持建设项目生命周期中动态的工程信息的创建、管理和共享,是项目实时的共享平台[2].

BIM技术虽然是建筑信息模型,但该技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具,通过对建筑的数据化、信息化模型整合,在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递,使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对,为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础,在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用,因此认为可以把该技术应用到工业建造方面.

BIM技术的主要特征有以下五个方面:

(1)可视化.将以往的线条式的构件形成一种三维的立体实物图形展示在人们的面前,能够同构件之间形成互动性和反馈性的可视化.

(2)协调性.BIM的协调性服务可以做到设计阶段各专业人员之间的协调,施工阶段各专业及施工人员与设计的协调,避免各种矛盾发生.

(3)优化性.事实上整个设计、施工、运营的过程就是一个不断优化的过程,在BIM的基础上可以做更好的优化.

(4)模拟性.在设计阶段,BIM可以对设计上需要进行模拟的内容进行模拟实验.例如:节能模拟、紧急疏散模拟、日照模拟、热能传导模拟等.在招投标和施工阶段可以进行4D模拟(三维模型加项目的发展时间),也就是根据施工的组织设计模拟实际施工,确定合理的施工方案来指导施工.同时还可以进行5D模拟(基于4D模型加造价控制),实现成本控制;后期运营阶段可以模拟日常紧急情况的处理方式,例如地震人员逃生模拟及消防人员疏散模拟等.

(5)具有可出图性.BIM的可出图性主要基于BIM应用软件,可实现设计阶段或施工阶段所需图纸的输出,还可以对建筑物进行可视化展示、协调、模拟、优化,帮助建设方给出综合管线图(经过碰撞检查和设计修改,消除了相应错误以后)、综合结构留洞图(预埋套管图)、碰撞检查侦错报告和建议改进方案[3].

2 研究内容

35 kV变电所的集成化设计可以引用BIM技术.35 kV变电所包括35 kV及10(6)kV两个电压等级(不包括110 kV变1.0 kV和0.6 kV),主要有35 kV进线、变压器、10(6)kV馈线和综保系统等.需要研究的内容主要有以下三个方面:

(1)确定流程,选择基础软件、工具软件及平台软件等.

(2)创建模型,集成从设计、预制、安装到运行管理的数据.包括变压器、控保设施、电容补偿器等设备数据信息,以及各种标准、规程和规范等.

(3)从设计到运行管理全生命周期的实施方案,包括设计方案、施工图和设备与材料表的生成;在设计方案中按功能把35 kV变电所划分成各模块,模块划分原则应是功能独立、配套完整、接口标准,满足这些的同时应追求体积小、便于运输,设备上也要考虑选择体积小的高效设备;进行工程量计算和工程造价;虚拟现实技术,三维效果展示、设计协同、碰撞检查,预制和安装模拟,建造进度模拟.

3 技术路线

该研究采取的主要技术路线有以下六方面.①调研各种软件,选择最适合的建模、计算分析、平台等支持软件;②按照35 kV变电所功能,研究科学拆分、优化建立模块;③调研各油气田35 kV变电所的基本负荷,确定标准系列,调查中既要考虑大型整装油气田,又要考虑零散、自然和配套条件差的油气田;④调查交通条件差、运输难度大的油气田的运输情况,确定模块的规格;⑤调研35 kV变电所所用设备、材料、仪器、仪表等的市场信息,包括价格、技术水平、效率、效果等,优选最佳产品,以追求模块在同等功能下体积最小,调研有关标准、规程和规范,建立BIM数据库;⑥BIM功能实现包括BIM建模、BIM参数化对象技术、BIM仿真技术、项目各阶段的BIM应用、各参与方的BIM应用、各管理职能的BIM应用、BIM实施体系等.

4 实例应用

35 kV变电所可拆分模块分为35 kV进线与变压器,10(6)kV馈线与电容补偿,综合自动化保护三个模块.35 kV进线与变压器:一端通过架空线路或电缆与站外上级变电站来的电力线路连接,连接要设计标准接口;架空线路或电缆另一端与变压器相连.10(6)kV馈线与电容补偿:35 kV进线与变压器模块的出线电缆与电容补偿和综合自动化保护模块相连,接口处全部设计标准接口.所有模块均对工厂生产完成,分模块运输,现场组装,实现了工业建造工厂化.

4.1 BIM组织与应用流程

工作组织与流程分九步:①设定目标;②筛选软件;③BIM软件建模;④建立BIM信息库;⑤确定管理要素;⑥确定平台软件;⑦确定工具软件;⑧确定虚拟现实软件;⑨施工图等生成.在第⑧步基本可以实现查错,预见模块预制、生产运行和管理过程等情况.

4.2 BIM技术应用目标

目标包括:35 kV变电所设计方案制定,施工图及设备与材料表生成,模块预制,现场安装,运营管理与BIM技术相结合,实现工厂化预制、现场流水作业安装,做到布局合理,环境、材料和设备信息数据精准,实施方案实现参数优化,预制和安装工艺流程标准化,降低成本,节省工期,提高设计施工质量和效率,实现信息化、智能化管理(图1).

4.3 基础软件与应用软件确定

基础软件选用Bentley,选用原则:软件应具有基于三维数字图像技术,支持对三维实体创建和编辑;支持35 kV变电所场景库,实现快速建模;支持三维数据交换标准,建立的三维模型可以通过IPC等标准输出为应用软件使用.

应用软件主要选取具有以下功能的软件.几何造型软件,按照前文所述35 kV变电所分成3个模块等进行造型.电气、通信和自控系统分析软件主要是对变电所中的3个主要系统进行计算分析及优化.还有火灾报警系统、安保系统、智能化设计、可视化、模型检查、2D/3D同步设计及碰撞检查、造价、运营、发布审核等软件(图2).

图1 BIM应用目标Fig.1 BIM application target

图2 BIM核心建模软件和应用软件功能Fig.2 BIM core modeling software and application software function

4.4 平台软件确定

BIM模型可以在平台上统一管理,所有用户可以随时随地地获取最新BIM数据,所有用户可以随时沟通.基于三维软件的技术平台--Micro Station开发了ABD Electrical,是一套基于BIM的建筑电气设计系统,在此基础上可开发为35 kV变电所的设计系统.

4.5 BIM技术应用

(1)在Bentley软件的基础上,采用数字化技术,建立包含35 kV变电所中电气、自控、通信等系统所有信息的数据库,将35 kV变电所划分为功能相对独立的3个模块,建立以3个模块为基础的整体模型.

(2)根据工作目标选择应用软件,如计算、优化、可视化、深度设计、造价、查错、几何造型、运营管理、审核签署等软件;对三个模块中的电气、通信设施、自控仪表等按功能进行优化布置;按模块和变电所需求设计钢结构外罩和橇体;按功能、规模设定参数;按设计、施工、管理等各参与方的工作需求确定平台软件.

(3)计算分析优化选择电气设施、通信设施和自控仪表,根据控制目标确定自控点、控制参数及调节范围.

(4)优化钢结构设计和橇体设计.

(5)指导模块化预制.

(6)指导施工安装.

(7)现场运行数据实时传至平台,实现远程调节、控制,实现安全平稳运行.

5 结束语

BIM技术完全可以用于集成化建造35 kV变电所,利用该技术可以,实现模块化设计、工厂化生产、组装化安装、信息化管理,提高35 kV变电所设计、预制、施工的工作效率,提高管理水平,这是35 kV变电所建造技术的一次飞跃,最终为智能化发展奠定基础.